段輝順 劉生奎 李 波

(中國能源建設集團公司甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

戈壁灘地基掏挖基礎抗拔承載特性現(xiàn)場試驗★

段輝順 劉生奎 李 波

(中國能源建設集團公司甘肅省電力設計院有限公司，甘肅 蘭州 730050)

以甘肅境內(nèi)戈壁灘碎石土地基中的直柱、擴底兩種結構型式的掏挖基礎為研究對象，通過開展全尺寸試驗基礎的現(xiàn)場上拔試驗，獲得了試驗基礎的荷載位移曲線及地基土體的破壞模式，并分析得到基礎抗拔承載力和側摩阻力。

輸電線路，戈壁灘碎石土，掏挖基礎，現(xiàn)場試驗，抗拔承載力

戈壁灘是廣泛分布于我國西北地區(qū)的一種特殊土地基，一般為沖洪積物，多分布在盆地邊緣地帶、沖積～洪積扇地段[1]。戈壁灘地區(qū)的主要地基類型為碎石土，由于獨特的氣候特征，與常規(guī)碎石土相比，戈壁灘碎石土顆粒間的膠結效應明顯，抗剪強度較高，是一種優(yōu)良的天然地基。

隨著我國“疆電外送”能源戰(zhàn)略的推進，多條特(超)高壓輸電線路工程穿越戈壁灘碎石土地基。掏挖基礎作為輸電線路工程中常采用的一種基礎型式，由于其優(yōu)良的承載性能和良好的環(huán)保效應，因此在生態(tài)環(huán)境脆弱的戈壁灘地區(qū)中被經(jīng)常采用。

輸電線路桿塔基礎的設計主要受上拔穩(wěn)定性控制[2]。地基土體的粘聚力是掏挖基礎上拔穩(wěn)定性設計的主要參數(shù)之一，以往工程中針對碎石土地基，常常認為粘聚力很小甚至為零。近年來，國內(nèi)外學者研究表明[3-5]：碎石土地基是一種粘聚強度大的優(yōu)良地基，具有較強的抗拔承載性能。針對這一問題，本文選擇甘肅境內(nèi)典型戈壁灘碎石土地基，根據(jù)750 kV輸電線路工程的荷載條件設計出4個全尺寸的試驗基礎，通過現(xiàn)場基礎的上拔試驗，獲得了基礎的變形承載特征以及工程設計相關參數(shù)，為該地區(qū)輸電線路工程設計提供了理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1試驗場地條件

試驗場地位于甘肅省金昌市金川區(qū)境內(nèi)，擬建750 kV金昌變附近的戈壁荒灘，該試驗點地貌單元屬山前沖洪積平原，地形平坦、開闊，地勢由西南向東北微傾，地面坡降約10‰，地面海拔約1 720 m，如圖1所示。

采用灌水法分別在試驗現(xiàn)場層深0 m，-0.4 m，-1 m處測試了土體的重度，試驗結果見圖2，從圖中可以看出，該場地的土體重度隨著深度呈增加趨勢，即深度處土體重于淺層處土體。

現(xiàn)場直剪試驗表明，該場地的抗剪強度參數(shù)c,φ值分別為15.3 kPa和47°。

1.2試驗基礎設計

為了對比分析擴底的設置對掏挖基礎抗拔承載性能的影響，本次試驗以直柱、擴底兩種結構型式的掏挖基礎為研究對象，如圖3所示。為了試驗研究成果便于工程應用，根據(jù)750 kV輸電線路桿塔基礎的作用荷載設計出1∶1全尺寸的試驗基礎，各試驗基礎的尺寸參數(shù)見表1。

表1 試驗基礎尺寸參數(shù) m

基礎編號d1d2hΔh1Δh2Z1號114——K1號11.540.50.2Z2號116——K2號11.560.50.2

1.3加載系統(tǒng)與方案

試驗加載裝置由千斤頂、鋼梁、反力支座、連接件等構件組成，其中作用于試驗基礎的上拔荷載由千斤頂提供，試驗加載系統(tǒng)見圖4。

根據(jù)輸電線路桿塔基礎的受力特點，本次試驗采用維持荷載加載法[6]。加載初期可根據(jù)以往經(jīng)驗采用快速荷載法，當基礎變形較大時，采用慢速維持法。試驗進行中，通過預先布置在基礎頂部和地面處的位移傳感器測試地基基礎的上拔位移。

2 試驗結果分析

2.1荷載—位移曲線

試驗過程中每個試驗基礎均加載到破壞狀態(tài)，即該級荷載值無法穩(wěn)定或變形不斷增大而荷載加不上的狀態(tài)，或者上拔位移超過25 mm的狀態(tài)[2]。通過記錄每一級上拔荷載對應的上拔位移，獲得每個試驗基礎的荷載位移曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，Z1號基礎荷載位移曲線變化特征較好地符合緩變型曲線，而其他三個試驗基礎的荷載位移曲線變化趨勢均具有陡降型曲線的特征，即荷載位移曲線在經(jīng)歷一段線彈性變形階段后，突然發(fā)生跌落。

2.2承載力取值

由上述分析可知，4個試驗基礎荷載位移曲線類型分為陡降型和緩變型兩種，為方便試驗數(shù)據(jù)之間的對比，同時考慮到數(shù)據(jù)分析的一致性，本文統(tǒng)一取破壞荷載前一級荷載為基礎的抗拔承載力，表2列出了各試驗基礎的破壞荷載及抗拔承載力。

表2 基礎抗拔承載力試驗分析結果 kN

從表2中可以看出，相同截面尺寸、相同埋深的直柱、擴底兩種不同結構型式的掏挖基礎抗拔承載力存在差異，并且這種差異與基礎的埋深有關。埋深為4 m的Z1號和K1號，其上拔破壞荷載相同，均為4 000 kN，而抗拔承載力Z1號略大于K1號，這主要由于兩個試驗基礎的荷載等級設置大小不同所致，可近似認為兩個試驗基礎抗拔承載性能相當；埋深為6 m的Z2號和K2號基礎，擴底型基礎K2號的極限承載力較Z2號高33%，擴底的承載性能優(yōu)勢很明顯。

相同結構型式、截面尺寸，基礎的抗拔承載能力隨著埋深的增加而增強。對于直柱型基礎，埋深從4 m增加至6 m，基礎抗拔承載力增加50%，即單位深度抗拔承載力增加450 kN；對于擴底型基礎，埋深從4 m增加至6 m，基礎抗拔承載力增加105%，單位深度抗拔承載力增加616 kN。由此可見，相同截面尺寸的擴底基礎，單位深度承載力增加的幅度大于直柱型基礎，這也說明擴底的設置對提高掏挖基礎抗拔承載力的效果是顯著的。

2.3地基破壞模式

如圖6所示為試驗結束后觀察到的地面裂紋分布圖。從圖中可以看出，地基發(fā)生破壞時，地基土體自基礎中心開始出現(xiàn)裂紋，后呈發(fā)散狀逐漸向外擴散，最終形成一定范圍的隆起區(qū)域，該隆起區(qū)域的范圍與基礎的尺寸參數(shù)有關。

如表3所示為4個試驗基礎的地基隆起范圍，從表中試驗數(shù)據(jù)可以看出，基礎埋深越大，隆起范圍越大，并且對于相同埋深的兩種結構型式基礎，擴底型較直柱型隆起范圍要大，埋深為4 m時，擴底型較直柱型隆起范圍大1.6 m，埋深為6 m時，擴底型較直柱型隆起范圍大1.8 m。

表3 地基土體隆起范圍統(tǒng)計表 m

基礎編號埋深隆起范圍Z1號41.6K1號43.2Z2號61.8K2號63.6

2.4工程設計參數(shù)

直柱型掏挖基礎與短樁承載特性相似。根據(jù)樁基規(guī)范[7]，單樁抗拔承載力可采用式(1)進行計算。

T=q×u×h+G

(1)

其中，T為基礎抗拔承載力；G為基礎自重；u為基礎截面面積；h為基礎埋深；q為基礎埋深范圍內(nèi)平均側摩阻力，為工程設計中的主要參數(shù)之一。

將式(1)進行整理，可得出基礎平均側摩阻力q的計算公式如式(2)所示。

(2)

其中,T可由現(xiàn)場試驗分析可以獲得，G,u,h分別為已知的基礎尺寸參數(shù)。將表2中所示Z1號和Z2號基礎抗拔承載力試驗結果代入式(2)可以得出基礎平均側摩阻力q=286 kPa。

3 結論與建議

本文選取典型戈壁灘碎石土地基場地，開展了直柱、擴底兩種結構型式掏挖基礎的現(xiàn)場上拔試驗，通過試驗分析獲得如下結論：

1)通過分析4個試驗基礎的荷載位移曲線，得出為緩變型曲線，為陡降型曲線，荷載位移曲線的變化特征與基礎的結構型式無明顯關聯(lián)；

2)試驗分析表明：相同結構型式、截面尺寸，基礎的抗拔承載能力隨著埋深的增加而增強，并且擴底型掏挖基礎單位深度抗拔承載力增量大于直柱型，由此表明，戈壁灘碎石土地基中擴底的設置對提高掏挖基礎抗拔承載力的效果是顯著的；

3)試驗分析表明：基礎破壞時，隨著基礎的上拔會帶動基礎周圍一定范圍內(nèi)土體發(fā)生隆起最終形成一定范圍的破壞區(qū)域；基礎埋深越大，隆起范圍越大，并且對于相同埋深的兩種結構型式基礎，擴底型較直柱型隆起范圍要大；

4)對于承載性能等同于抗拔樁的直柱型掏挖基礎，可采用樁基規(guī)范中推薦的側摩阻法計算其抗拔承載力，通過該方法反算出該戈壁灘碎石土地基場地的平均側摩阻力值為286 kPa，可作為工程設計的理論依據(jù)。

[1] 魯先龍,程永峰.戈壁抗拔基礎承載性能試驗與計算[M].北京:中國電力出版社,2015.

[2] 崔 強，孟憲喬，楊少春.擴徑率與入巖深度對巖基挖孔基礎抗拔承載特性影響的試驗研究[J].巖土力學，2016,37(S2):195-202.

[3] RM Tong,XL Lu.Uplift load-movement response of bell pier foundations in Gobi gravel[J].Geotechnical Engineering,2014,167(4):380-389.

[4] 魯先龍，乾增珍，童瑞銘,等.戈壁地基擴底掏挖基礎抗拔試驗及其位移計算[J].巖土力學，2014,35(7):1871-1877.

[5] 張振華，崔 強，安占禮.上拔與水平荷載綜合作用下某碎石土場地擴底基礎地基土體破裂面形態(tài)分析[J].固體力學學報，2014,35(?？?：41-47.

[6] DL/T 5219—2014,架空送電線路基礎設計技術規(guī)定[S].

[7] JGJ 94—2008,建筑樁基規(guī)范[S].

Experimentalstudyontheinfluenceoffoundationsizeparametersontheupliftbearingcapacityofthespreadfoundationingravelsoil★

DuanHuishunLiuShengkuiLiBo

(ChinaEnergyConstructionGroupCorporationGansuElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Lanzhou730050,China)

This paper selected the shaft and spread foundations in gravel soil located in Gansu province as the study objects. The 4 full-size test foundations under uplift load were tested, the load-displacement curves and the failure mode of test foundations were obtained. Through analysis the load-displacement curve variation characteristics, the uplift bearing capacity were achieved.

transmission line, gravel soil, digging foundation, field test, uplift bearing capacity

TU411

A

1009-6825(2017)27-0061-03

2017-07-15★：甘肅省電力設計院科技項目(2015KJ-XL-02)

段輝順(1972- )，男，高級工程師